電動飛行與推進系統(tǒng)變革

■ 王翔宇/中國航發(fā)研究院

電動概念正從汽車產(chǎn)業(yè)向航空產(chǎn)業(yè)席卷而來，相應(yīng)的航空發(fā)動機制造商也在一定程度上展現(xiàn)了不同的應(yīng)對策略。什么時候正式進軍電動領(lǐng)域？是直接全電動推進，還是先混合電推進再全電動推進？電池技術(shù)的進步能否跟上混合電推進系統(tǒng)的發(fā)展速度？

“電動概念”焦慮籠罩的航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)

當(dāng)下，航空界似乎越發(fā)彌漫著一種“電動概念”焦慮，急切地想要突破電動技術(shù)并使之商業(yè)化，生怕落在競爭對手后面喪失對市場的話語權(quán)。這一方面是由于人們對電氣化飛行高效經(jīng)濟、環(huán)保低噪的認知日益深刻，另一方面則源自特斯拉公司引領(lǐng)汽車行業(yè)開啟革命性變化所帶來的現(xiàn)實沖擊。

考慮到未來電動飛機在飛發(fā)一體化設(shè)計上具有前所未有的靈活性，航空產(chǎn)業(yè)將不可避免地出現(xiàn)像汽車那樣“整機化”的研發(fā)模式，在孕育類似特斯拉這種行業(yè)新玩家的同時，傳統(tǒng)飛機制造商的主導(dǎo)優(yōu)勢仍將長期存在。波音公司和空客公司已經(jīng)不約而同地把混合電推進系統(tǒng)作為2030年前后客機的動力選項，不僅投入了大量資金推動相關(guān)研究計劃，而且還積極收購有發(fā)展?jié)撃艿某鮿?chuàng)公司進行深度布局，力爭在未來電動飛行的低成本運營、舒適度體驗、輿論媒介導(dǎo)向乃至政策法規(guī)制定上搶占先機。

電動飛機發(fā)展大事記（2015—2019年）

然而，面對未來電氣化飛行的出現(xiàn)、推廣乃至普及，傳統(tǒng)的航空發(fā)動機制造商所面臨的考驗和挑戰(zhàn)與飛機制造商是截然不同的。雖然整機化的發(fā)展趨勢降低了發(fā)動機制造商獨立研發(fā)飛機產(chǎn)品的門檻，但從根本上說電推進系統(tǒng)改變的是飛機的動力裝置，其對燃氣渦輪發(fā)動機潛在的“降維競爭”存在著劇烈變革未來航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的可能性。從1960年第一型渦扇發(fā)動機投入商業(yè)運營開始，GE公司、普惠公司和羅羅公司既是當(dāng)代民用航空燃氣渦輪發(fā)動機技術(shù)進步最大的開拓者，也理所應(yīng)當(dāng)?shù)爻蔀榱似涫袌霭l(fā)展最大的受益者。近10年來，在LEAP和PW1000G鏖戰(zhàn)窄體飛機動力市場、銷量屢破紀錄，遄達XWB、遄達7000、GEnx和GE9X競相逐鹿寬體飛機動力市場的大背景下，很難想象屬于燃氣渦輪發(fā)動機的時代即將結(jié)束，自然也并不是所有深耕航空動力這一領(lǐng)域的企業(yè)都認為當(dāng)下是進入電氣化飛行市場的合適時機。

發(fā)動機制造商介入電動飛機研制

2019年1月，羅羅公司公布了旨在打造世界最快速全電動飛機的“加速飛行電氣化”（ACCEL）計劃。借助英國政府資助，羅羅公司引入了電動機和控制器制造商YASA以及航空初創(chuàng)企業(yè)Electroflight公司共同推進計劃的實施，通過驗證高能量電氣系統(tǒng)在試驗飛行器上的應(yīng)用，為未來全電氣化飛行做技術(shù)儲備。按照羅羅公司的構(gòu)想，該單座全電動飛機的研發(fā)周期為24個月，預(yù)計于年內(nèi)完成環(huán)境驗證測試，到2020年可進行試飛，欲以480km/h的飛行速度打破由西門子電動飛機在2017年創(chuàng)造的338km/h的速度紀錄。而為了實現(xiàn)這一宏偉愿景，在電池、電動機、傳動系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)測等方面的重大革新是不可或缺的。

雖然具體的參數(shù)尚未透露，羅羅公司宣稱ACCEL飛機將采用由超過6000個單元體組成的當(dāng)今世界上最高能量密度的飛行電池組，存儲的電能可以承擔(dān)從倫敦到巴黎的320km左右的飛行距離。飛機的螺旋槳由YASA公司制造的3臺750R輕型電動機驅(qū)動，推進功率不低于375kW，與傳統(tǒng)飛機相比其槳葉轉(zhuǎn)速有所降低，但運轉(zhuǎn)會更加平穩(wěn)、更加安靜。飛機全電傳動系統(tǒng)的工作電壓預(yù)計為750V，在零污染排放的同時實現(xiàn)高達90%的效率。此外，羅羅公司還將利用先進傳感器收集ACCEL飛機的飛行數(shù)據(jù)，每秒鐘監(jiān)測2萬個數(shù)據(jù)點，對電池電壓、溫度和用以驅(qū)動螺旋槳產(chǎn)生推力的傳動系統(tǒng)的整體健康狀況進行動態(tài)掌控。

無論是高能量密度電池、先進儲能管理系統(tǒng)，還是電動飛機的總體設(shè)計、部件設(shè)計，ACCEL計劃所開展的技術(shù)驗證對于羅羅公司后續(xù)電動垂直起飛和著陸（eVTOL）飛行器的研發(fā)有著重大意義。作為近年來隨著城市交通發(fā)展而產(chǎn)生的新概念飛行器，有著“空中出租車”之稱的eVTOL飛行器受到了業(yè)界的格外關(guān)注，相關(guān)預(yù)測甚至認為到2035年其市場需求將達到50萬架，總市場空間超過700億美元。在2018年的范堡羅航展上，羅羅公司就展示了其混合動力eVTOL飛行器概念，這也是該公司有史以來第一次涉足飛機整機設(shè)計研發(fā)領(lǐng)域。通過與汽車制造商阿斯度馬丁公司以及克蘭菲爾德大學(xué)的合作，利用經(jīng)典的M250燃氣渦輪發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生300～400kW電能為電池系統(tǒng)充電，從而帶動電動機為可供4～5人乘坐、飛行速度為400km/h的通航飛行器——Volante Vision概念機提供動力。羅羅公司期望在2025年左右實現(xiàn)混合動力eVTOL飛行器的商業(yè)運營，據(jù)稱其每年的市場價值將不少于12億美元。

AACEL演示樣機（來源：羅羅公司）

E-FanX驗證機（來源：空客公司）

除了ACCEL計劃和eVTOL飛行器所瞄準的通航市場外，羅羅公司對于大中型商用電動飛機市場也表現(xiàn)出了濃厚的興趣。2017年年底，羅羅公司開始與空客公司、西門子公司共同開發(fā)E-FanX演示驗證機，用于評估支線客機的混合電推進可行性，重點為2MW電動機的研發(fā)提供技術(shù)支持。事實上，空客公司與西門子公司早在2016年4月就已經(jīng)著手組建了一支約200人的聯(lián)合團隊，共同研發(fā)功率等級從100 kW～10 MW的各型航空發(fā)動機，為短途飛機、直升機和無人機提供動力。空客公司甚至表示，可運送超過100名乘客到1000km以外目的地的混合動力飛機將在2030年前成為現(xiàn)實。如果說全電飛行器在以城市空中交通為代表的通用航空領(lǐng)域更容易搶占先機的話，那么針對有效載荷、速度和航程都較大的商用運輸飛行需求，從空客A350、波音787等多電飛機逐步向未來混合電動飛機演進成為了業(yè)界公認的趨勢。

當(dāng)然，傳統(tǒng)的航空發(fā)動機制造商對于電動飛行市場的觀望并不是一成不變的。就在羅羅公司全面鋪開電動飛機研發(fā)的同時，其他發(fā)動機制造商也紛紛啟動了有針對性的電動飛行研究計劃。事實上，如果羅羅公司真的通過ACCEL計劃在電推進系統(tǒng)上取得跨時代的進步，其他傳統(tǒng)航空發(fā)動機制造商必然會快步跟進，這似乎也是奔馳、寶馬這些老牌汽車巨頭應(yīng)對電動汽車市場興起時采用過的策略。一方面，現(xiàn)存技術(shù)終究有發(fā)展到極致的時候，未來發(fā)展的潮流只能由像特斯拉那樣敢于“吃螃蟹”的公司去引領(lǐng)和推動；另一方面，只要順勢而為，傳統(tǒng)優(yōu)勢企業(yè)也會有足夠的時間去調(diào)整與適應(yīng)。毫無疑問，電動飛機不會一出現(xiàn)，就在一夜之間占領(lǐng)整個航空市場。

2019年3月，聯(lián)合技術(shù)公司（UTC）,普惠公司的母公司，啟動了804計劃，預(yù)期在3年內(nèi)完成一架混合電動支線客機X-Plane的研制和試飛，將當(dāng)前多電技術(shù)從千瓦量級提升到兆瓦量級，同時全面驗證混合電推進系統(tǒng)進行商業(yè)使用的經(jīng)濟可行性。該驗證機將龐巴迪“沖”8-100飛機一側(cè)的發(fā)動機改裝為總功率為2MW的混合電推進系統(tǒng)，在飛機起飛和爬升期間增加其動力，并對飛行不同階段發(fā)動機的工作模式進行優(yōu)化。通過合適的混合動力策略，UTC預(yù)期X-Plane可在航程為370～460km的飛行中節(jié)省約30%的燃油消耗。

在與NASA合作開展混合電推進系統(tǒng)研發(fā)的同時，GE公司立足于其自身固有電動機產(chǎn)品積淀，發(fā)力混合電推進基礎(chǔ)技術(shù)研究。2017年8月，GE公司發(fā)布了混合電推進系統(tǒng)重大項目研究白皮書，展示了其在發(fā)電和電動機兩方面的主要技術(shù)突破。通過改裝F110發(fā)動機核心機抽取壓縮空氣，GE公司提取到了1MW的電力，其中低壓渦輪占比達到了75%，這也是工業(yè)界第一次嘗試從雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機的低壓部件提取功率。不僅如此，利用提取的電力驅(qū)動螺旋槳的1MW電機效率達到了創(chuàng)紀錄的98%，這意味著該電動機僅產(chǎn)生了20kW的熱損失，而同等的燃氣渦輪發(fā)動機的熱損失一般在100kW以上。

賽峰公司研制的混合電推進系統(tǒng)（來源：航空周刊）

霍尼韋爾公司研制的混合電推進系統(tǒng)（來源：航空周刊）

賽峰公司則與貝爾公司合作開發(fā)了適用于城市空中運輸?shù)墓蚕韊VTOL飛行器Nexus，該飛行器被納入了美國優(yōu)步公司的Uber Elevate城市交通體系，也是該體系內(nèi)唯一的混合電動飛行產(chǎn)品。通過對阿赫耶渦軸發(fā)動機的改造，賽峰公司打造的這款混合電推進系統(tǒng)主要由基于渦輪發(fā)電機的電能系統(tǒng)、電力管理系統(tǒng)和用于產(chǎn)生推力的電動系統(tǒng)組成，預(yù)計將于2021年上半年試飛，屆時其輸出功率將達到600kW，直接使用成本（DOC）較當(dāng)前同等功率量級渦軸發(fā)動機下降一半以上。此外，賽峰公司也在為Zumum Aero公司設(shè)計的航程1100km、不超過12座的ZA10飛機開發(fā)混合電推進系統(tǒng)，以改進后的阿蒂丹3Z發(fā)動機為500kW發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)，與飛機電池系統(tǒng)共同驅(qū)動兩臺電動涵道風(fēng)扇產(chǎn)生動力，計劃于2019年年底前完成地面測試。

與賽峰公司類似，霍尼韋爾公司同樣將目光瞄準了未來城市空中交通市場，認為發(fā)動機和發(fā)電機一體化設(shè)計將在混合電推進領(lǐng)域最先得到應(yīng)用，其正在研發(fā)的原型系統(tǒng)結(jié)合了HTS900渦軸發(fā)動機和兩臺200kW的高功率密度發(fā)電機，預(yù)計在2025年前后即可投入商業(yè)應(yīng)用。在兆瓦級發(fā)電機產(chǎn)品的研發(fā)上，霍尼韋爾公司表示其設(shè)計已完成了90%，后續(xù)將重點關(guān)注影響系統(tǒng)功率密度的熱管理問題，系統(tǒng)的最終目標是轉(zhuǎn)換效率達到98%。

混合電動飛機的市場未來

1973年，第一架載人全電動飛機在奧地利進行了長約10min的驗證飛行。40多年過去了，電動機推進功率從當(dāng)時的15kW足足提升了20倍，但從鎳鎘電池到如今最先進的鋰鐵電池，其能量密度僅僅提升了不到5倍。以最新型的特斯拉Model S電動汽車為例，其170W·h/kg的電池能量密度仍僅相當(dāng)于航空煤油的1.5%。更為悲觀的是，鋰離子動力電池的發(fā)展似乎接近了“天花板”，目前其能量密度只有7%～8%的年化增長率。2018年，我國863計劃節(jié)能與新能源汽車項目總體組專家肖成偉曾公開表示，高鎳材料、碳硅負極的鋰電池單體能量密度最高應(yīng)在300W·h/kg左右，國家動力電池技術(shù)路線圖規(guī)劃的2020年達到350W·h/kg能量密度的目標很可能無法實現(xiàn)。美國《連線》科技期刊認為，即使不考慮電動機和電力電子設(shè)備（如逆變器）的功率密度要求，實現(xiàn)2h左右短途商業(yè)飛行至少需要1000W·h/kg的動力電池，是當(dāng)前多電飛機產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用水平的6倍多，而如此巨大的差距是任何單純的電動機效率提升都無法彌補的。顯然，在電池技術(shù)發(fā)展仍不明朗的情況下，用“發(fā)電裝置+電動機”的混電模式代替“儲能裝置+電動機”的全電模式將是實現(xiàn)電氣化商業(yè)飛行最可行的一個方案。

全球全電動汽車（BEV）與插電混動汽車（PHEV）市場保有量與增長率（來源：國際能源署報告）

混合電動飛機是否如宣傳的那樣，能夠完美地集成燃氣渦輪發(fā)動機和電推進系統(tǒng)二者的優(yōu)勢，在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)成為航空市場的主宰力量，似乎并不是一個單純的技術(shù)問題，混合電動飛機的市場前景與其說依賴其自身的技術(shù)成熟與否，倒不如說是取決于未來電池技術(shù)進步的速度。還是以汽車行業(yè)為例，雖然2010年插電混動汽車投入市場后短期內(nèi)取得了理想的市場份額，但截至2017年無論是保有量還是增長率與全電動汽車相比仍有不小的差距，而也正是在這段時間鋰離子動力電池技術(shù)徹底成熟并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，其能量密度的年化增長率超過了15%。一旦10年之內(nèi)鈉離子陰極電池（650W·h/kg）、鎂離子電池（750W·h/kg）、鋰空氣電池（超過2000W·h/kg）這些跨時代的電池技術(shù)取得突破，市場風(fēng)口將徹底轉(zhuǎn)向，首先面臨退出歷史舞臺危機的不是擁有巨大存量和近百年技術(shù)積淀的燃氣渦輪發(fā)動機，而很可能是處于不上不下尷尬境地的混合電推進系統(tǒng)。

一個有意思的事實是，雖然羅羅公司基于M250發(fā)動機的混動eVTOL飛機仍將是傳統(tǒng)混動汽車構(gòu)架（即HEV，電池完全由發(fā)動機供電，不具備外接電源充電的能力，在我國被歸為“節(jié)能汽車”而非“新能源汽車”），卻采用了串聯(lián)能量通路而非當(dāng)前汽車行業(yè)中更為普遍使用的并聯(lián)通路。發(fā)電機直接供電也好，電池先充電再放電也罷，eVTOL飛機的推進單元只能由電動機驅(qū)動，并不存在電推進與燃氣推進之間所謂的模態(tài)轉(zhuǎn)換。顯然，這種串聯(lián)通路帶有鮮明的過渡色彩，在設(shè)計架構(gòu)上盡可能地體現(xiàn)了電力驅(qū)動這一理念，更接近未來的全電動飛機。而如果打算長期耕耘混合電推進市場，更能夠發(fā)揮燃氣渦輪發(fā)動機性能優(yōu)勢的并聯(lián)通路似乎才是更為合理穩(wěn)妥的選擇。

普惠公司負責(zé)技術(shù)與環(huán)境事務(wù)的副總裁阿蘭·愛潑斯坦在2016年表示，在出現(xiàn)技術(shù)“奇跡”之前，具有商業(yè)價值的電動飛行幾乎是不可能出現(xiàn)的。而所謂技術(shù)“奇跡”的核心就是高能量密度電池技術(shù)的重大突破。以波音737飛機為例，支持其正常飛行所需的能量最少需要10MW，這一數(shù)字達到了羅羅公司ACCEL計劃中“創(chuàng)紀錄”375kW功率的26倍之多。GE公司雖然在2017年就宣布其新型兆瓦級電機的設(shè)計效率從90%提升到98%，但這一鼓舞人心的消息之后卻始終沒有更進一步的電動飛行方案推出。完善的全電推進系統(tǒng)不僅僅意味著要有高效的電動機，電池技術(shù)才是限制未來全電飛行的瓶頸，而這一問題似乎并不該單純地依靠傳統(tǒng)航空發(fā)動機制造商去解決。

結(jié)束語

從內(nèi)在說，燃氣渦輪發(fā)動機產(chǎn)業(yè)仍在蓬勃發(fā)展，市場價值屢創(chuàng)新高，在相當(dāng)一段時期仍將支配著航空動力市場，也是傳統(tǒng)航空發(fā)動機制造商不可動搖的立身之本；從外在說，電池技術(shù)已經(jīng)成為制約未來電動飛機發(fā)展的最大障礙，混合電推進系統(tǒng)幾乎是實現(xiàn)當(dāng)下商業(yè)電氣化飛行唯一的動力選擇，但混合電動飛機的市場前景更多地取決于2030年前動力電池技術(shù)能否取得前所未有的突破。在航空動力市場電氣化變革暗流涌動的大勢下，傳統(tǒng)航空發(fā)動機制造商的戰(zhàn)略抉擇將迎來空前的挑戰(zhàn)與考驗。